一種無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與優(yōu)化*

張立爭(zhēng)，張劼,2，葉萍，常兆華,2△

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 教育部微創(chuàng)醫(yī)療器械工程中心，上海 200093； 2．上海微創(chuàng)醫(yī)療器械(集團(tuán))有限公司，上海 201203)

1 引 言

青少年四肢由于惡性骨腫瘤或意外導(dǎo)致的自體骨切除治療，使患肢失去了原有的骨性支持及周邊軟組織，而青少年正處于青春發(fā)育期，健肢仍繼續(xù)生長(zhǎng)，造成肢體不等長(zhǎng)，體型異常，給患者生活帶來(lái)極大不便[1-3]。下肢不等長(zhǎng)不僅嚴(yán)重影響步態(tài)和功能，還可引起骨盆傾斜、非正常應(yīng)力所致關(guān)節(jié)損害等一系列并發(fā)癥[4-5]。以往的固定長(zhǎng)度假體雖然能代替自體骨，但其長(zhǎng)度不能變化，長(zhǎng)期使用無(wú)法解決患者肢體不等長(zhǎng)的問(wèn)題?？裳娱L(zhǎng)假體作為自體骨切除的人工置換假體，既能為患肢提供堅(jiān)強(qiáng)支持，又能有效延長(zhǎng)肢體[6-7]，為解決上述兩大難題提供了有效方案。

可延長(zhǎng)假體置換最大的問(wèn)題在于假體需不斷延長(zhǎng)，組合型假體是最早出現(xiàn)的一種可延長(zhǎng)假體，它是通過(guò)調(diào)換更長(zhǎng)的假體組件完成假體延長(zhǎng)，見(jiàn)圖1a，每次延長(zhǎng)需行二次外科手術(shù)，增加手術(shù)并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，給患者增加不必要的創(chuàng)傷和痛苦，影響患者生活與學(xué)習(xí)[8-9]。后期發(fā)展的微創(chuàng)可延長(zhǎng)假體雖然手術(shù)創(chuàng)口小，但仍未達(dá)到無(wú)需手術(shù)的目的[10]。無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體作為新一代的可延長(zhǎng)假體，由于其植入后延長(zhǎng)過(guò)程無(wú)需外科手術(shù)，無(wú)創(chuàng)傷，優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，目前僅限于美國(guó)、澳大利亞等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)鮮有無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體研發(fā)相關(guān)報(bào)道，見(jiàn)圖1b。我們研究了一種新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元分析和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出優(yōu)化延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

圖1 延長(zhǎng)假體示意圖

(a).earlyextendableprosthesisextendedschematicdiagram; (b).thenewtypeofnoninvasiveextendableprosthesisextendedschematicdiagram

2 新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體內(nèi)部核心的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中包括移動(dòng)管和限動(dòng)管，見(jiàn)圖2，移動(dòng)管為一端設(shè)有凸起結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的鈦合金管，限動(dòng)管選用材料粘彈性能強(qiáng)的聚縮醛管[11]，其中凸起結(jié)構(gòu)A嵌壓在限動(dòng)管體內(nèi)，是承受載荷的關(guān)鍵位置，而結(jié)構(gòu)B有若干個(gè)鏤空的長(zhǎng)型槽，使移動(dòng)管形成周向非連續(xù)體，當(dāng)假體延長(zhǎng)時(shí)，使凸起結(jié)構(gòu)A溫度升高，而結(jié)構(gòu)B可有效阻擋熱量傳遞至移動(dòng)管其他部位，避免能量流失。同時(shí)在移動(dòng)管管腔C內(nèi)設(shè)有壓縮狀態(tài)的鈦合金彈簧，作為延長(zhǎng)的內(nèi)動(dòng)力源。

圖2 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 延長(zhǎng)機(jī)制

新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)機(jī)制，概括為軟化、延長(zhǎng)和冷卻三個(gè)過(guò)程。當(dāng)假體需要延長(zhǎng)時(shí)，把能產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)的線圈置于移動(dòng)管凸起部位的肢體體表，設(shè)置特定高頻電磁場(chǎng)加熱。移動(dòng)管凸起部位的溫度超過(guò)一定值時(shí)，接觸凸起部位的聚縮醛材料開(kāi)始軟化，失去對(duì)移動(dòng)管凸起部位的嵌壓作用，依靠壓縮彈簧的勢(shì)能儲(chǔ)備，把移動(dòng)管從限動(dòng)管中頂出，假體的總長(zhǎng)度得以延長(zhǎng)。通過(guò)在X射線下觀察移動(dòng)管上的顯影點(diǎn)，判斷延長(zhǎng)的長(zhǎng)度，當(dāng)體外高頻電磁場(chǎng)作用一旦停止，整個(gè)假體得以冷卻，冷卻后的限動(dòng)管在一個(gè)新的部位對(duì)移動(dòng)管凸起部位繼續(xù)產(chǎn)生嵌壓作用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)得以固定。假體每次延長(zhǎng)的最小長(zhǎng)度可控制<1 mm，完全滿足實(shí)際單次延長(zhǎng)5～10 mm的需求。

其中移動(dòng)管的凸起與限動(dòng)管的嵌壓結(jié)構(gòu)是本延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)，為了研究?jī)烧叩呐浜详P(guān)系，假定限動(dòng)管外徑21.5 mm內(nèi)徑17.5 mm為確定的條件不變，根據(jù)嵌壓的不同程度和延長(zhǎng)可靠性分析，移動(dòng)管凸起外徑φ的大小，決定假體負(fù)載力的大小，而移動(dòng)管凸起角度γ的大小，又影響假體延長(zhǎng)的可靠性，兩者息息相關(guān)。為了探究移動(dòng)管凸起外徑φ和凸起角度γ兩個(gè)變量參數(shù)的最優(yōu)組合，見(jiàn)圖3，按等分原則選出9種延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)做負(fù)載能力和延長(zhǎng)有效性分析，見(jiàn)表1。

圖3 移動(dòng)管凸起外徑和凸起角度變量示意圖

表1 九種移動(dòng)管延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格

3 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)試模型的建立

在三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E中建立延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試的三維裝配模型，見(jiàn)圖4。限動(dòng)管采用有限元分析軟件ABAQUS中六面體雜交單元網(wǎng)格C3D8H進(jìn)行劃分,移動(dòng)管采用ABAQUS中六面體非協(xié)調(diào)單元網(wǎng)格C3D8I進(jìn)行劃分，得到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試的有限元模型。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，必須進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析以確定網(wǎng)格劃分的密度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)0.4 mm的密度是精確的網(wǎng)格密度,圖5為八分之一結(jié)構(gòu)的有限元模型(模型具有對(duì)稱性)。將裝配體導(dǎo)入ABAQUS6.4中，移動(dòng)管的材料為鈦合金，彈性模量為110 000 MPa，泊松比為0.34；聚縮醛的材料屬性為非線形彈塑性材料，實(shí)驗(yàn)選擇其室溫下(23℃)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，見(jiàn)圖6。

設(shè)定限動(dòng)管和移動(dòng)管凸起之間為綁定接觸，同時(shí)限動(dòng)管外壁模擬假體外殼支撐設(shè)為固定，限制限動(dòng)管外壁垂直軸向方向的自由度。在軸向方向上模擬外界壓力，給移動(dòng)管加載速度為25 mm/min時(shí)的載荷力F進(jìn)行求解計(jì)算，其中力F的取值見(jiàn)表2。

圖4 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的三維裝配模型

表2 加載最大力值

3.2 有限元分析結(jié)果

在4核64 G工作站上對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)試有限元模型進(jìn)行分析，得到不同軸向載荷作用下，不同規(guī)格移動(dòng)管和限動(dòng)管Von Mises應(yīng)力云圖，圖7為其中載荷值為1200 N時(shí)45-19結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。不同結(jié)構(gòu)在各種加載情況下的應(yīng)力變化見(jiàn)圖8，分析計(jì)算結(jié)果表明，在材料抗拉強(qiáng)度內(nèi)，移動(dòng)管相同凸起角度γ下，凸起外徑φ越大，移動(dòng)管承受的載荷越大；其中規(guī)格75-20承受載荷最大，為2 400 N至4 000 N之間; 規(guī)格45-20和75-19承受載荷約為2 000 N；其他規(guī)格承受載荷相對(duì)較小。從應(yīng)力云圖中可看出延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的主要受力位置是限動(dòng)管與移動(dòng)管的凸起結(jié)合處，且主要失效形式為限動(dòng)管的破壞。

圖5 有限元模型

Fig5Finiteelementmodel

圖6 聚縮醛材料屬性

Fig6Propertiesofpolyacetalmaterials

4 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物理實(shí)驗(yàn)

4.1 物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

根據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E中建立的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)三維模型，加工出實(shí)驗(yàn)樣品。按照與有限元相同的延長(zhǎng)要求，將每份樣品組裝，見(jiàn)圖9a，從右到左依次為移動(dòng)管延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格序號(hào)1-9，其中規(guī)格75-19和規(guī)格75-20進(jìn)行組裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)法按照正常的延長(zhǎng)過(guò)程延長(zhǎng)，可以判斷其實(shí)際結(jié)構(gòu)不可行，見(jiàn)圖9b；規(guī)格75-18延長(zhǎng)過(guò)程中超過(guò)延長(zhǎng)要求但不影響實(shí)驗(yàn)。在延長(zhǎng)組裝時(shí)發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)管凸起外徑φ為20 mm的規(guī)格延長(zhǎng)過(guò)程相對(duì)困難，且對(duì)限動(dòng)管的內(nèi)壁破壞相對(duì)較嚴(yán)重，有明顯的材料殘留物滲出,見(jiàn)圖9c。

圖7 應(yīng)力云圖

圖8 不同加載情況下的應(yīng)力變化

4.2 物理實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)靜態(tài)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求，將測(cè)試樣品裝夾在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行50 N力預(yù)加載，儀器調(diào)零，然后以25 mm/min的軸向壓縮速度進(jìn)行加載，壓縮位移定為8 mm。通過(guò)pc端測(cè)試軟件記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，確定不同結(jié)構(gòu)的最大負(fù)載力。

圖9 實(shí)驗(yàn)樣品

(a).實(shí)驗(yàn)樣品組裝圖；(b).規(guī)格75-19和規(guī)格75-20樣品；(c).規(guī)格15-20和規(guī)格45-20樣品

Fig9Theexperimentalsample

(a).assemblydiagramofexperimentalsamples; (b).samplesofspecifications75-19andspecifications75-20; (c).samplesofspecifications15-20andspecifications45-20

4.3 物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)完成組裝的7組樣品在相同的加載方法下，得到不同延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖10。

圖10 靜態(tài)力學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖11 結(jié)果對(duì)比分析

Fig11Resultscomparativeanalysis

從首次峰值出現(xiàn)的情況看，其中規(guī)格15-19、15-20和45-19均能達(dá)到滿足青少年患者使用安全性要求的2 000 N力負(fù)載。而移動(dòng)管的凸起外徑φ為18 mm的規(guī)格負(fù)載力低于1 000 N，相對(duì)較小。規(guī)格45-20承受的加載力過(guò)大的原因是延長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)材料破壞引起的誤差。

5 討論

由于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中移動(dòng)管是鈦合金材料，其彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚縮醛材料，所以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的最大負(fù)載力主要取決于限動(dòng)管，從仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均可得到證實(shí)。仿真模擬的是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)加載力，而非延長(zhǎng)過(guò)程，對(duì)于規(guī)格75-19和規(guī)格75-20來(lái)說(shuō)，雖然有仿真模擬結(jié)果，但在物理實(shí)驗(yàn)中，其結(jié)構(gòu)并不能滿足延長(zhǎng)需求。從其他規(guī)格的結(jié)果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力值普遍比仿真的應(yīng)力值大，見(jiàn)圖11，可能是由于實(shí)驗(yàn)材料彈性模量的測(cè)量誤差造成的，通過(guò)精準(zhǔn)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)材料的彈性模量及泊松比賦值到有限元分析的材料參數(shù)中，可以減小實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差。

通過(guò)對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格的靜態(tài)力變化趨勢(shì)基本一致。規(guī)格15-19、規(guī)格15-20和規(guī)格45-19的應(yīng)力結(jié)果在仿真和物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中最符合延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的需求，其中規(guī)格15-20在物理實(shí)驗(yàn)中存在延長(zhǎng)過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的問(wèn)題，所以相對(duì)其他規(guī)格，規(guī)格15-19和規(guī)格45-19更滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)的要求。

6 結(jié)論

本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建立新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)三維模型，在ABAQUS軟件中建立不同規(guī)格延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)測(cè)試模型，并相應(yīng)對(duì)不同規(guī)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。通過(guò)有限元分析和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：除了實(shí)驗(yàn)不滿足延長(zhǎng)需求的兩種規(guī)格外，有限元分析結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律較為一致。由于實(shí)驗(yàn)材料彈性模量的測(cè)量誤差、實(shí)驗(yàn)樣品的延長(zhǎng)裝配誤差、實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算的力的加載位置、邊界條件及任意方向應(yīng)變等差異，使得有限元結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。實(shí)驗(yàn)和仿真分析的結(jié)果表明，對(duì)本研究的多種延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)管凸起的外徑φ為19 mm,凸起角度γ為15°至45°之間最佳， 本研究結(jié)果將有助于為新型無(wú)創(chuàng)可延長(zhǎng)假體深入研究奠定理論基礎(chǔ)。